페로브스카이트 매직 결정을 활용한 태양전지의 효율 향상
EMPA(스위스 연방 재료과학기술연구소) 연구팀은 얇은 페로브스카이트(Perovskite) 층을 사용한 탠덤 구조형 박막 태양전지의 생산을 가능하게 할 공정을 개발하기에 이르렀다.

이 페로브스카이트의 가공은 섭씨 50℃에서 이뤄지며, 향후 저렴한 롤-투-롤(Roll-to-Roll)로 전환하는 것이 가능해질 것으로 기대된다.

저렴한 비용 및 공정으로 고효율 태양전지 생산
하나의 태양전지 위에 또 하나의 태양전지를 적층시키는데, 상부에 위치한 태양전지는 반투명해 더 많은 에너지 광자(Photon)를 전기로 전환시키는데 도움이 된다. 반면 하부의 태양전지는 남아있거나 전달된 낮은 에너지의 광자를 이용해 전기로 전환시킴으로써 에너지 전환을 최적화한다. 이런 방식은 더 많은 빛 에너지를 전기로 전환하는 것을 가능하게 한다.

지금까지 이런 과정에 필요한 정교한 기술은 주로 우주 혹은 집광형 태양광발전(CPV : Concentrated Photovoltaics)의 영역에 국한돼 왔다. 매우 고가의 단결정 웨이퍼 상에서 성장시킨 이런 탠덤 구조형 태양전지는 대량생산 및 저렴한 비용으로 태양광을 전기로 전환시키기 위한 목적에는 적합하지 않다.

스위스 연방 재료과학기술연구소의 스테판 뷔켈러(Stephan Buecheler)씨 및 아요디아 N 타와리(Ayodhya N. Tiwari) 씨가 이끄는 연구팀은 다결정 박막을 기반으로 하는 탠덤 태양전지를 제작하고 저렴한 공정으로 대면적 생산에 적합한 방법을 개발했다.

또한, 유연한 플라스틱 혹은 금속 박막도 미래에는 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 이것은 저렴한 비용과 공정으로 고효율 태양전지를 대량으로 생산하는 방법에 주요한 이정표가 될 것으로 사료된다.

개발된 공정의 비밀은 섭씨 50℃의 낮은 온도 조건에서 상부의 태양전지 페로브스카이트 필름을 제작하는데 있다. 이를 통해 미래 제조 공정에서 에너지 절감 및 비용절감이 가능해진다. 탠덤 태양전지는 빛을 전기로 전환하는 효율이 20.5% 정도다.

매직 결정을 위한 분자 축구공
이 두 가지 성공의 핵심은 72%의 평균 투과도를 가진 14.2% 효율의 반투명 태양전지의 개발에 있다. 이 반투명 태양전지는 작은 페로브스카이트 결정 형태에 메틸암모늄 요오드화납(Methylammonium Lead Iodide)에 침착시켜 제작했다. 이 페로브스카이트는 PCBM(Phenyl-C61-Butyric Acid Methyl Ester)의 기질로 한 얇은 중간층에 성장시켰다. 각 PCBM 분자는 61개의 탄소 원자를 포함하고 있으며, 축구공 모양으로 서로 연결돼 있다.

페로브스카이트 필름은 이 층에 증기 증착 및 스핀 코팅을 조합해 제작했으며, 이후에 미지근한 온도에서 냉각시켰다. 이 매직 페로브스카이트 결정은 가시광선의 청색 및 황색 빛을 흡수해 전기로 전환시킨다. 반면, 적색 및 적외선 영역은 결정을 단순히 통과하게 된다. 결과적으로 반투명 페로브스카이트 태양전지 하부에 다른 태양전지를 부착함으로써 통과한 빛을 전기로 전환하게 된다.

이중층 태양전지로 대량의 태양에너지 수확
탠덤 태양전지의 하부층을 위해, EMPA 연구팀은 CIGS(Copper Indium Gall ium Diselenide) 태양전지를 사용했다. 이 기술을 위해 연구팀은 수 년 동안 연구를 진행했다. CIGS 태양전지를 기반으로 유연한 태양전지를 위한 작은 규모의 생산이 이미 진행 중이다.

탠덤 태양전지의 장점은 태양광을 더 많이 수확할 수 있다는 점이다. 태양전지는 사용된 반도체의 밴드갭보다 큰 에너지 수준을 가진 복사(Radiation) 선만을 전환시킬 수 있다.

복사가 약하면 전기가 생성되지 않는다. 만약 에너지가 높으면, 과량의 에너지는 열로 전환돼 소실된다. EMPA에서 개발한 페로브스카이트-CIGS 태양전지와 같은 이중층 태양전지는 서로 다른 밴드갭 물질을 조합해 태양에너지의 더 많은 부분을 전기로 전환할 수 있다.

30% 이상의 효율을 향해!
아요디아 타와리 씨에 따르면, 매우 우수한 단일층 다결정 태양전지의 태양에너지 전환 효율이 25%인 반면, 탠덤 태양전지의 경우 30%을 넘길 수 있다. 그러나 이를 위해서는 많은 연구가 선행돼야 한다. 연구팀은 이런 의욕적인 목표를 달성하기 위해서 많은 장애물들을 극복해야만 한다.

아요디아 타와리의 실험을 도왔던 스테판 뷔켈러 씨는 “태양전지 연구의 효율 경쟁은 학문적인 것만이 아니다. 태양광에 의한 전기를 생산할 때, 비용의 절반은 태양전지 모듈 자체의 비용이며, 다른 절반은 인버터, 케이블, 태양전지 수송, 엔지니어링 비용 및 설치와 같은 기반시설을 갖추는 비용”이라면서, “태양전지의 효율이 향상되고 더 작은 크기로 설치할 수 있을 때 이런 부수적인 비용이 감소하게 될 것이다. 즉, 효율적인 태양전지가 저렴한 전기를 생산하기 위한 핵심인 셈”이라고 강조했다.

출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

SOLAR TODAY 이 서 윤 기자(st@infothe.com)

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